部分斜拉橋空間桿系結構靜力分析

覃巍巍 宋強 陳曉 鄒全

摘 要：部分斜拉橋是由多根斜拉索、塔、梁和墩通過桿件相互聯結共同組成的空間桿系結構，本文通過某橋墩達156.6m的獨塔單索面部分斜拉橋空間桿系結構的研究，利用通用有限元分析程序ANSYS建立空間桿系結構計算模型， 準確分析成橋狀態結構橫向受約束時的內力和位移情況。根據該橋最不利的橫向載荷工況，對該橋空間桿件結構進行靜力載荷分析，進一步驗證該部分斜拉橋空間桿系結構的穩定性是安全可靠，并得出相應的結論和該橋塔的抗震能力方面的建議。

關鍵詞：部分斜拉橋、空間桿系結構、靜力載荷

中圖分類號：U443 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（b）-0000-00

一、概述

某部分斜拉橋的推薦方案為2×123m獨塔單索面預應力混凝土方案，全跨長246m。斜拉索在塔上以索鞍的形式連續通過，梁段錨固在主梁中間箱室內。采用塔、梁、墩固結體系。橋墩外壁為正八邊形截面，橋墩高156.6m。為了高墩穩定需要，橋墩沿墩身縱橫向同比例向下放大，經過仔細比選，確定采用墩頂內切圓直徑10m，墩底內切圓直徑16m，內壁為圓形截面，壁厚0.9m，墩身外廓線為二次拋物線的橋墩形式。由于QJX等平面桿系結構分析程序較難準確分析成橋狀態結構橫向受約束時的內力和位移情況，這里對大橋橫向荷載最不利組合——組合1：恒載+汽—超20級+橫向風+溫度（橫向最不利情況）——建立空間桿系結構模型，進行靜力分析計算，以得到較準確的分析結果。

二、計算模型及結果

部分斜拉橋的空間桿系結構的極限承載力分析一直以來都利用有限元進行分析，利用通用有限元分析程序ANSYS建立空間桿系結構計算模型，并進行靜力分析。采用Beam188單元（三維線性有限應變梁單元）建立分段變截面模型模擬結構，單元的劃分主要根據懸臂施工階段進行，單元長度基本在2～4m間，采用Link10單元（只承拉或只承壓的桿單元）模擬斜拉索，采用Mass21單元（結構質量單元）模姒橫隔板和二期恒載的質量。全橋共劃分193個單元（不包括質量單元），195個節點[1]。其中，索在主梁上的錨固按其實際位置模擬，錨固點與主梁頂板節點之間的連接用剛臂模擬；二期恒載按單元附加質量處理，以便較好的模擬結構的質量分布；墩底為完全固結；兩端橋臺處考慮施加豎向和橫向線位移約束及繞主梁軸線的扭轉約束。

橋墩外廓線符合拋物線形式：x=3 x（y/156.6）2+5。其中，坐標原點為橋墩上底面的形心，x軸沿主梁縱向；y軸沿豎向，向下為正。

此外，主梁、橋塔和橋墩都采用C50號混凝土，材料參數為：彈性模量E=3.50E+6t/m2

密度p=2.6t/m3，泊松比μ，=0.16667。

斜拉索采用索鞍形式穿過橋塔，鋼索材料選用37-7 Ф5，索重81. 548kg/m，面積為0. 01036m2，泊松比μ=0.3[2]。

結構在荷載組合1的最不利情況下的受力形式如下圖：

組合1：恒載+汽一超20級+橫向風+溫度（橫向最不利情況）

主要截面的內力和應力分布情況列于下表中。其中，橋墩最大壓應力發生在1/2墩高附近高90米處，最大應力值為9.884MPa；主梁最大拉壓應力均發生在主梁根部附近距橋墩、塔中心線7.5米處，最大拉應力值為6.940MPa，最大壓應力值為11.11MPa[3]。這些應力都在結構的容許應力范圍 在組合1的最不利情況下結構的位移分別為：主梁和墩頂橫向位移0.0266米，塔定橫向位移0.0405米，它對行車舒適度的影響很小。

三、結論及建議

1、分析表明，推薦方案在組合1的橫向最不利荷載作用下截面應力滿足截面強度的設計要求。其中，橋墩最大應力出現在1/2墩高附近，主梁最大拉壓應力均出現在主梁根部附近。

2、建議在施工圖詳細設計時結合抗震分析和穩定性分析進一步優化橋墩的截面形式和尺寸。確保結構在滿足穩定性和靜力合理受力狀態的要求，并具有較好的抗震能力的條件下，達到最優的結構形式。

參考文獻

[1] 戴公連.李德建 橋梁結構空間分析設計方法與應用[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[2] .G. Fei， A. Q. Li， Dynamic Finite Element Model Updating Using Meta-Model and Genetic Algorithm [J]. Journal of Southeast University （English Edition）， 2006， 22（2）：213-217

[3] 葛俊穎.王立友 基于ANSYS的橋梁結構分析[M].北京：中國鐵道出版社，2007：18-20